STEM 教育方法

　 整合的STEM教育教学的思考

　Micah Stohlmann, Tamara J. Moore, and Gillian H. Roehrig

　明尼苏达大学，双子城

　摘要

　高质量的科学、技术、工程和数学(STEM)教育对学生未来的成功至关重要。整合的STEM教育是一种使学习变得更贴近学生的一种教育。教师有效的进行STEM教学需要什么样的知识、经验和背景，还需要做进一步的研究和讨论。本研究就STEM教育教学的支架、教学、效果及教学材料(s.t.e.m)与一所中学进行了为期一年的合作。中学实施的项目是“技术课程的指路人”。s.t.e.m.模型是教师实施和提高整合的STEM教育的一个很好的起点。

　关键词:整合的STEM教育；工程；引路项目；教学

　引言

　关于教师实现整合的教学必需的技能,信仰、知识基础和经验的研究很有限。(Fykholm & Glasson, 2005）。因为科学,技术,工程和数学(STEM)整合教育相对较新,所以这个结论更具真实性。国家科学委员会(简称NSB)在“满足美国科学、

　技术、工程和数学教育系统的关键需求的国家行动计划”文件中，阐述了关注教师有效地进行STEM教育需要具备哪些特点的重要性。NSB在该文中强调，应该由高素质和高效的教师来教STEM。他们呼吁国家在吸引、准备、留住合格的有责任心的教师候选人上投入更多的注意力(NSB, 2007)。吸引、准备、留住合格的有责任心的教师最好的方法还有待继续研究。

　本文将描述“引路项目”（PLTW）对中学实施整合课程的支持。根据PLTW称，,他们是中学和高中教育项目的最大的非盈利提供者(Lock, 2010)。本文将对教师如何在STEM整合课程中更有效力提出建议。笔者从学校实施PLTW课程的理论和实践提出支架、教学、效果和材料(s.t.e.m)模型，而这些建议是基于(s.t.e.m)模型提出来的。

　研究问题

　本文旨在提出教师有效的实施整合教育必须考虑的因素。本文的信息将为PLTW教师和一般STEM教师提供建议。指导这项研究的问题如下:

　整合的STEM教育教学应该主要考虑的因素是什么?

　在本研究所述的中学中，什么是影响教师实施PLTW课程的主要因素?

　理论框架

　使用综合教育有很多好处，“研究表明,使用一个跨学科或综合课程能为学习者提供更多相关而少分散的机会和更多的刺激学习者经验”(Furner & Kumar,2007; p.186)。此外，这是一种以学生为中心的教学方法,它能够提高高层次思维和解决问题的能力,并能改善记忆里(Fllis & Fouts,2001; King & Wiseman, 2001; Smith & Karr-Kidwell,2000)。

　关注更具体的整合STEM教育，类似的好处被发现。比如，使学生成为更好的问题解决者,创新者,发明家,提高自力更生的,逻辑思考能力和技术素养(Morrison, 2006)。研究表明,整合的数学和科学对学生的态度和兴趣(Bragow,

　Gragow & Smith, 1995)、他们的学习动机(Gutherie,Wigfield & VonSecker,2000)和成就(Hurley, 2001)有积极影响。国家工程院院士和国家研究委员会(Katehi, Pearson & Feder,2009)列举了五个将工程结合在k - 12学校的好处:提高了数学和科学成就,提高工程意识,理解并能够进行工程设计和提高科技素养。

　既然整合的STEM教育有可这么多好处,那么最重要的是要确定教师如何才能有效地进行整合的STEM教育。支持教师的相关研究、教学实践、教师效能,和需要整合到STEM教育中的材料是至关重要的考虑方面。

　支持教师参与STEM整合

　有越来越多的机构与学校合作支持STEM教育。塔夫斯大学已经用来15年多的时间将工程整合到k - 12课程中。他们认为工程能够激发学生学习数学和科学的概念的兴趣,使技术教育成为可能。教授、大学教师和学生每周都进入教室协助老师,他们每月都开老师支持会议,培训教师技术资源知识(Rogers & Portsmore, 2004)。在一项研究中,来自内华达大学的研究人员和里诺搭配中学的科学教师帮助老师成功的进行了实践。研究人员发现,通常不学习科学的学生也积极参与到设计过程中(Cantrell等, 2006)。另一项研究中,内布拉斯加州大学的教师开发了两周的夏季专业发展计划,帮助初中和高中科学和数学教师实施工程课。研究课程的影响时发现，在学生对数学、科学和工程的兴趣受到了激发。(Nugent等,2010)。此外，联邦政府的资助和数学和科学教师专业发展培训也为教师实现STEM课程整合提供了帮助(Harris & Felix, 2010)。

　更多整合的内容发生在数学和科学方法课程的教师教育项目中(Berlin & Lee, 2005)。有几项研究已经开始着眼于对职前教师使用整合的内容课程和方法课程的利弊的研究(Beeth& Mc Neal, 1999; Elliott等, 2001; Frykholm & Glasson,2005; Furner & Kumar, 2007; Lewis等, 2002）。大多数研究发现整合课程的好处，但也提到该计划可能需要额外的时间来计划和有效地实施课程。

　围绕STEM整合进行教学实践

　整合数学和科学教学的研究为整合STEM教育提供了一个良好的基础。整合的科学和数学的成功，在很大程度上取决于教师对主题的理解(Pang & Good, 2000)。许多教师在自己的学科内容知识上存在漏洞(史汀生et al .,2009)，要求数学和科学教师教另一个主题，可能造成新的知识差距和挑战(Stinson等, 2009)。

　科学和数学教育有效实践的研究成果提供了有效实践STEM整合的切入点。Zemelman,Zemelman,Daniels & Hyde (2005)列出十个实践教学数学和科学的最佳方法:

　使用教具、动手学习;

　合作学习;

　讨论和调查;

　质疑和猜测;

　使用合理性的思考;

　撰写反思和解决问题;

　用一个方法解决问题;

　集成技术;

　老师作为主持人;

　评估作为教学的一部分

　专注于联系,陈述和错误概念也可以增加教师的教育学知识(Walker, 2007)。使用整合的STEM方法的好处是,许多这些实践可以让自己自然的融入到活动中。

　集成STEM活动也让老师把重点放在大概念上，这些大概念在学科之间可以起到联系的作用。Berlin & White(1995)就教师应如何处理学生的知识提出了建议：

　建立在学生已有知识上;

　围绕大思想,概念,或主题组织知识;

　增加学生概念和流程之间相互关系的知识;

　明白知识是视情况而变化的;

　通过社会演讲保持知识的先进性;

　明白知识是长时间经过社会建构的。

　Zemelman等人建议将五、六个方法放在一起应用于数学和科学教学实践。(2005)

　老师在STEM整合中的作用

　老师对教学的成功起着极其重要的作用。教师自我效能感可以视为教师对他们的能力对学生的学习产生预期的效果的信仰。内容知识和高质量的教育学发挥了很大的作用。Caprara等人(2006)指出,许多研究指出教师的自我效能感将影响学生在学校中的成就和成功。此外,研究发现，教师的自我效能感与学生动机、自尊、更积极的态度的增强以及学生的自我效能感相关。他们还标志,教师效能感与他们对自己职业选择的满意程度有关。

　实现STEM整合所需的材料

　综合STEM教育通常需要大量的材料和资源，通过设计调查使学生解决真实世界的问题,表达,测试和修改他们的想法。这些材料可以包括建筑工具,如锯、测量设备,和锤子;电子材料,如计算机、设计程序,机器人套件,计算器,和其他材料用于设计,其中可能包括木材、塑料、胶、纸板、施工。学生通过在设计活动使用这些材料，可以更好地理解技术。对技术的广义定义是：使人类的生活更轻松的任何物体。一个工程师的工作是设计可以解决问题的技术。学生需要拥有设计程序或产品的机会才能真正的学习。

　整合STEM教育是基于主题和现实世界之间的联系，将科学,技术,工程和数学结合成为一个类的教育。然而,一般来说,集成STEM教育可以包含多个类别和教师,并不总是涉及STEM的四个学科。工程在k - 12学校变得越来越盛行，它可以很好地为学生提供解决问题的机会学习数学、科学和技术，当完成工程设计过程时。

　方法

　环境

　本文研究的中学是中西部州小一个大型郊区的6——8年级学校。有四个不同学科背景的PLTW教师在中学任教。两位老师有数学背景,一位有科学的背景,另一位有技术教育背景。有科学背景的老师的科学课占了了她的教学工作量的一半。有技术教育背景的老师是地区四所中学PLTW项目的协调员。所有的学生都参加学校的PLTW课程。

　中学正在实践一个整合的STEM课程,从PLTW课程探索技术教育道路。PLTW是一个非盈利组织,旨在开发有效的初中和高中STEM教育,其目标是培养成为“在科学,技术,工程和数学(STEM)领域最具创新和富有成效的领导人”(Lock, 2010)。为了完成这一目标，“PLTW课程为学生提供机会来理解科学过程,工程问题解决,和技术应用,了解技术系统如何与其他系统协调工作,在问题解决过程中运用数学知识和技能,通过阅读、写作、听力和口语进行有效沟通以及有效地与他人合作”(Brophy 等人,2008年,p.378)。PLTW课程提供了一个与国家标准一致的文件,来支持整合的STEM课程。然而,一项描绘了明尼苏达州“技术道路”课程的调查研究表明,在这个课程中，数学和科学标准的内容是有限的(Stohlmann 等,2011)。

　在2009 - 2010学年，两个研究生每周有一天在中学合作和帮助PLTW教师。3 M公司的资助是个实践实现的基础。获得3 M STEM教育奖学金计划基金的研究生与学校合作,帮助教师把已知的k - 12 STEM整合最好的教学方法付诸实践。通过：(1)专业发展(2)课程开发、实现和评估。同伴是职前教师、一个数学博士生和以为科学教育博士生。在一学年中，同伴们将课程映射到国家标准,为课程实施提供了思路,协助上课、开发补充课程材料,帮助教师管理,是任何问题的资源,并转达了STEM教育的重要性。

　其他帮助教师规划,组织,内容知识的支持项目也已经开始。PLTW夏季要求为期两周的训练,可以在整个学年联系PLTW教练解决问题,老师参加一个为期一年的STEM整合教师学院,这是中学报名参加的,包括五天的培训和16个小时的专业学习社区(PLCs)。教相同的课程的PLTW老师也经常分享想法并保持同样的课堂节奏。

　数据收集和分析

　本研究的数据收集包括研究者每周的笔记、每个教师的三个运用结构观察的协议的正式的课堂观察以及每周非正式对话采访。课堂观察是在学期开始,中间,和学年结束的时候采集。研究生的同伴将每周的非正式对话访谈和他们在教室与学生的接触记录专业笔记。

　数据分析使用常数比较方法(Corbin & Strauss, 2008)。每个数据源都是先使用开放编码，然后使用主轴编码来开发主题。然后数据源互相比较,因为主题是可以由三个数据源支持的。

　结果

　教学

　PLTW老师试图依靠高质量的教育学与课程使自己更舒适。十二份课堂观察中有十一份采用了以学生为中心的教学方法，包括学生演示方法,设计一个将简单问题复杂化的机器,建筑改装，用三维建模软件设计,小组讨论的阅读和测量活动。老师并没有专注于说教,而是让学生一起工作,发展自己的思维。然而,有时不知道方向的学生将会在课教师在他们的知识不舒服和自信。老师有困难知道课程会持续多久,最好知道如何引导学生在他们的工作。三的四个老师多次提到这个。在一个活动中,钉。

　然而,有时不知道在课上学生将会怎么做使教师不舒服，对自己的知识不自信。老师在知道课程需要持续多久，如何引导学生工作方面存在困难。在这一年中，有四分之三的老师多次提到这个问题。在一个活动,学生掩饰一个设备,寻找的六个简单的机器设备。然后学生被要求创建一个新的机械设备,从13块简单的机器中描绘一种。由于学生带来了他们自己的设备,这让老师很难熟悉每个设备并帮助学生努力寻找简单的机器。

　教师的适应程度

　虽然教师努力工作,但有迹象表明,有时教师在课程实施并不自信。在一年的非正规PLTW老师的采访中,这似乎是一个影响课程实施的重要的话题。例如,一个老师觉得在十多年的教学经历中，她总是做得很好,但是今年才真正感觉到,她是帮助学生学习的重要内容,并享受这个课程。

　教师的舒适度也受到教师是否感到有激情继续发展PLTW老师的生涯和他们对PLTW的未来不确定性的影响。因为培训老师去教PLTW以外的课程,如果他们想长期保持PLTW教学，他们似乎就应该是不确定。一个老师在一年中多次提到,她只是想教数学课,因为她没有去学校教STEM的经历。所有的老师在几次提到教此课程是都会觉得不舒服。如果PLTW教学工作只是一个短期的工作,直到一个数学或科学教学工作变得可用,那么它可能会影响投资的数量和教师投入到发展PLTW课程的工作量。STEM特色课程仍然是相对较新的,任何新课程的实施，其寿命都有不确定性。这可以影响教师愿意投资的时间和PLTW教师的保留。

　另一个影响了教师实现PLTW教育的方面是教师具有不同的教学背景。老师分享他们的知识是很重要的,因为如果内容知识缺乏，会影响教育方法的有效性:“有限的主题知识限制了教师促进学生概念学习的能力”(Ma, 1999;p.36)。PLTW教师有不同的学科背景(数学、科学、技术)，对PLTW课程的某些部分感觉熟悉。然而,这是一个可能的优势,因为具有不同背景的教师可以通过问题和教师资源可以找到联系以外的课程。

　PLTW老师每周交谈分享如何教学。另外,今年PLTW地区四所中学的老师两次聚在一起讨论工作和分享教学理念。这是有益并帮助老师们感到更舒适。

　材料

　PLTW出售中学活动课程需要购买的材料包。材料包必须每年购买，因为学生使用这些材料完成一些项目，如用木头设计高速赛车或制作一个机器。通过使用各种材料,学生可以看到,技术不仅是电子产品,可以涉及到很多不同的东西。以为不同的项目需要多节课利用的材料,因此房间空间将是一个问题。教师将需要大型教室让学生存储项目和材料组织。教师需要确保他们的学校将充分支持他们的计划,提供学生所需的材料。

　电子技术资料也是教师需要的。互联网网站,小应用程序、设计程序、动态软件,机器人软件和计算器都可以集成到课程中。三分之四的PLTW老师上课时需要大量计算机。访问互联网是学生试图解决的问题查阅背景知识的有用的途径。

　讨论

　这篇文章对考虑在他们的学校应用或继续改善PLTW项目或STEM整合项目的管理员、老师和学校一些影响。实施有效的STEM教育需要专注、有条理和知识渊博的人。重要的是要有致力于成为长期PLTW教师而不是等待一个数学,科学,或其他工作变得可用的教师。老师反过来可能对学校在学校凝聚力,教学效果,学生的成绩方面有负面影响(Cochran-Smith,2004)。而教师正在发展STEM教育需要整合的内容,他们可以专注于提高教学质量的策略。越来越多的机构提供整合的项目,导致在数学和科学方面的特许,尤其是在中学水平实施将可能有助于减轻这一问题的影响(Frykholm & Glasson, 2005)。

　因为老师可能有不同的资格和背景,学校提供支持和协作是重要的。本文中的中学使用不同的方法来支持教师发展。与当地大学或附近的学校合作,参加专业发展,利用公司提供的培训课程,拥有共同的老师计划时间,并鼓励开放的沟通，使老师觉得他们有使他们获得成功的支持。数学、科学、和PLTW教师应该努力协作,以确保它们是最大限度地提高学生的学习。相似的概念和信息可以增强或者如果学生掌握了内容，也可以跳过。在这一年中，简单的机器被应用在PLTW中,这些是科学教师上课时往往跳过的话题。

　STEM教育的s.t.e.m.模型为教师的成功教学提供了有用的信息(参见表1)。教学类别是内容知识是最重要的以来最大的新教师综合教育。教师可以建立在有效综合科学和数学教学的建议上。虽然本研究没有探讨自我效能感,这是一个有待研究的重要领域。研究表明,教师的内容知识、经验和教学内容知识对自我效能有很大的影响。随着时间的推移,采用以学生为中心的方法和结构良好的教学活动将使教师对课程感到更加舒适，使学生获得成功。以各种方式支持教师的行动，为教师提供必要的材料,使他们能够做好他们的工作，使整合STEM教育获得成功。

　总结

　大部分的最新和最有价值的知识都涉及多个主题。整合的STEM教育可以激励学生参与STEM领域的职业,可以提高他们在数学和科学的兴趣和表现。有效STEM教育对学生的未来的成功至关重要。对STEM教育教师的准备和支持实现这些目标所必需的。未来的研究可以集中在课程材料和整合教学模式的开发、教师教育项目之间的联系以及教师的随后的课堂教学实践和教师对STEM这个教育的看法。这里讨论的s.t.e.m.模型可以作为教师促进学生在STEM整合课程中获得成功的一个起点。

　支持 与大学或附近学校合作

　参加专业发展

　教师合作时间

　课程相关培训和接触 教学 课程计划 教学实践 关注联系

　翻译陈述内容

　理解学生的错误观念

　理解学生的能力

　基于问题解决

　学生中心

　建立现行组织者

　关注大概念、观念或主题

　整合技术

　现实世界和文化相关性 提出问题，建立联系

　证明思考

　反思写作

　关注模式理解

　将评估作为教学的一部分

　合作学习

　有效操作的使用

　探究 效果 内容知识和教育学知识有助于自我效能感

　对STEM的承诺至关重要

　计划和管理至关重要 材料 技术资源

　宽广的技术视野

　活动的工具包

　材料的空间与存贮

　小组工作的桌子 表1.STEM教育的s.t.e.m.模型

　致谢：略

　参考文献：略